Sistema de respuesta SOS inducible de reparación del ADN y mutagénesis en Escherichia coli

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Int J Biol Sci 2008; 4(6):338-344. doi:10.7150/ijbs.4.338

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Celina Janion

Instituto de Bioquímica y Biofísica, Academia Polaca de Ciencias, Pawinskiego 5a, 02-106 Varsovia, Polonia

El ADN cromosómico está expuesto a continuos daños y reparaciones. Las células contienen una serie de proteínas y sistemas específicos de reparación del ADN que ayudan a mantener su estructura correcta. La respuesta SOS fue el primer sistema de reparación del ADN descrito en Escherichia coli que se induce cuando el tratamiento de las bacterias con agentes que dañan el ADN detiene la replicación del ADN y la división celular. En la inducción de la respuesta SOS intervienen más de cuarenta genes SOS independientes, la mayoría de los cuales codifican proteínas que intervienen en la protección, reparación, replicación, mutagénesis y metabolismo del ADN. En condiciones normales de crecimiento, los genes SOS se expresan a un nivel basal, que aumenta claramente al inducir la respuesta SOS. La respuesta SOS se ha encontrado en muchas especies bacterianas (por ejemplo, Salmonella typhimurium, Caulobacter crescentus, Mycobacterium tuberculosis), pero no en células eucariotas. Sin embargo, especies de todos los reinos contienen algunas proteínas similares a SOS que participan en la reparación del ADN y que presentan homología de aminoácidos y actividades enzimáticas relacionadas con las que se encuentran en E. coli, pero no están organizadas en un sistema SOS. Este artículo presenta una breve revisión actualizada que describe el descubrimiento del sistema SOS, la fisiología de la inducción de SOS, los métodos para su determinación y el papel de algunos genes inducidos por SOS.

Palabras clave: Respuesta SOS, reparación del ADN, mutaciones del ADN, reparación propensa a errores, ADN polimerasas mutagénicas

Resumen histórico

Después de que se reconociera que los genes están compuestos de ADN (Oswald T. Avery, 1940), se realizaron numerosos experimentos para explorar las propiedades químicas del ADN, sobre todo tratando a las bacterias y a los bacteriófagos con una variedad de agentes y productos químicos, como la luz ultravioleta, la mitomicina C (MC), etc. En consecuencia, se obtuvo una lista creciente de mutantes bacterianos que mostraban propiedades nuevas e inusuales, y posteriormente se determinaron sus propiedades.

La hipótesis de la respuesta SOS se desarrolló sobre la base de los siguientes datos: (i) La observación de Jean Weigle en l953 de que la reactivación del fago λ irradiado con UV aumentaba en gran medida cuando los fagos irradiados se chapaban en células huésped de E. coli previamente irradiadas. Este fenómeno se denominó posteriormente reactivación W o Weigle ; (ii) la inducción del profago λ y la lisis de las bacterias (transformación del desarrollo lisogénico al lítico) cuando los lisógenos bacterianos de E. coli fueron irradiados con UV , y (iii) la observación del crecimiento filamentoso de las células B de E. coli en respuesta a la irradiación UV, lo que sugiere una relación entre la detención de la división celular, los mecanismos de inducción del profago λ y la mutación inducida por UV. . Estos datos llevaron a Miroslav Radman a concluir que en E. coli existe un sistema de reparación del ADN dependiente de las proteínas LexA y RecA que se induce cuando el ADN resulta gravemente dañado y se detiene su síntesis, y que la inducción de este sistema está relacionada con la inducción de mutaciones. Radman lo denominó «reparación SOS» y «replicación SOS» por una señal de socorro internacional telegráfica (u óptica) «SOS» en el alfabeto Morse (tres puntos, tres guiones, tres puntos).

La hipótesis SOS de Miroslav Radman se planteó inicialmente en una carta inédita enviada a numerosos investigadores en l970, que posteriormente no se publicó hasta 1974. Evelyn Witkin planteó anteriormente la hipótesis de que la formación de filamentos y la inducción de profagos en las células B de E. coli irradiadas podrían tener un mecanismo relacionado. La carta original de Radman y el primer artículo de Witkin, considerados como la base para el descubrimiento del fenómeno de la respuesta SOS, fueron reimpresos recientemente en un artículo de Bryn A. Bridges . Trabajos posteriores en esta línea confirmaron y desarrollaron esta hipótesis. Los sistemas que se asemejan en algún aspecto a la respuesta SOS descrita en E. coli se encontraron más tarde para operar en las células eucariotas también, pero las respuestas bacterianas y en eucariotas son, de hecho, sustancialmente diferentes.

Mecanismo de inducción SOS: Papel de la Coproteasa RecA* y de la Proteína Represora LexA

Los genes recA y lexA fueron los primeros en ser reconocidos como implicados en la inducción de SOS. Las mutaciones en estos genes hacen que las células sean muy sensibles a la irradiación UV. Las proteínas LexA, de 27 kDa, y RecA, de 36 kDa, se conocían anteriormente como proteínas de recombinación que operan en la vida sexual y el intercambio genético de las bacterias. Actualmente, se sabe que la proteína RecA también participa en el intercambio genético de ADN, en la reparación recombinacional del ADN dependiente de recF, recO, recR, recN y ruvABC , y, junto con la proteína LexA, desempeña un papel importante en la regulación de la respuesta SOS. La regulación hacia abajo y hacia arriba de los genes inducidos por SOS es básicamente una interacción de dos proteínas, el represor LexA y RecA*, donde LexA es una proteína represora transcripcional, y RecA* es una coproteasa que ayuda a la autodestrucción catalítica de LexA.

Los agentes capaces de inducir el sistema de respuesta SOS son, por ejemplo la radiación ultravioleta, el MC, el metilsulfonato (MMS) y muchas otras sustancias químicas que interrumpen el ADN, detienen la síntesis de ADN y la división celular, y conducen a la acumulación de ADN monocatenario (ss). El nivel de la proteína RecA en las células bacterianas (al igual que el de la UvrD helicasa II) es muy alto. La proteína RecA tiene una fuerte tendencia a formar filamentos de nucleoproteína en el ADN ss, y una mucho más débil con el ADN roto de doble cadena (ds) . Esto probablemente protege al ADN contra la destrucción, y es necesario para todos los aspectos de la actividad de RecA. El ensamblaje de RecA en el ssDNA procede en la dirección 5′-3′ en una proporción de 1 molécula de RecA por cada 3 bases de ADN, y requiere dATP o ATP, pero no actividad ATP-asa. El desensamblaje, por el contrario, requiere hidrólisis de ATP a ADP y procede mucho más lentamente que el ensamblaje. La RecA ensamblada sobre ssDNA adquiere una actividad coproteasa, RecA*, que facilita la autodegradación de la proteína LexA, lo que resulta en la desrepresión de los genes regulados por SOS. La proteína LexA tiene una débil actividad de autoclavado, pero su clivaje y la desrepresión de los genes SOS se producen sólo en presencia de la coproteasa RecA*.

Cada uno de los genes inducibles por daño SOS (din) o sos tiene cerca de su sitio promotor/operador una «caja SOS» específica de 20 nucleótidos de longitud (también llamada, caja LexA) a la que se une la proteína represora LexA, impidiendo la unión de la ARN polimerasa y la expresión del gen . La caja SOS tiene una estructura palindrómica que sugiere que el represor LexA se une como un dímero, como se confirmó posteriormente. Por lo tanto, la función de la coproteasa RecA* en las células inducidas por SOS es: 1. ayudar a escindir la proteína LexA (202 aminoácidos) en el sitio Ala84-Gly85, lo que provoca la desrepresión de los genes SOS 2. escindir el represor CI del fago λ lambda, que transforma el fago de una forma lisogénica a una forma lítica; 3. procesar UmuD → UmuD’ por mellado de UmuD en el sitio Cys24-Gly25 que es un prerrequisito para el ensamblaje de la ADN polimerasa V (Pol V) mutagénica inducida por SOS que consiste en UmuD’2C. El paso que limita la velocidad de la síntesis de Pol V es el procesamiento de UmuD→ UmuD’, que ocurre mucho más lentamente que la autodegradación de LexA. El papel de Pol V en la mutagénesis es la síntesis de translesiones (TLS) a través del daño en el ADN molde, permitiendo la replicación del ADN, frecuentemente a costa de la fidelidad que lleva a la mutación . Todas estas proteínas, el represor CI del fago λ y el represor LexA, las proteínas UmuD, PolB/DinA (Pol II) y DinB (Pol IV) son homólogas dentro de sus dominios carboxi-terminales, y todas están codificadas por genes din (sos) regulados bajo la respuesta SOS.

La inducción de la respuesta SOS procede hasta 45-60 min después del tratamiento de las bacterias con agentes inductores de SOS y luego cesa abruptamente. En este tiempo la mayoría de las lesiones se han reparado. El momento de la desrepresión de los genes din individuales depende de la fuerza de la unión del represor LexA con la caja SOS y de la facilidad con la que el represor LexA se desprende de una caja SOS concreta.

3.1. Mediante la formación de din::lacZ y el ensayo de β-galactosidasa

La respuesta al SOS se estudió anteriormente probando el aumento de la expresión de los genes din, ya sea a partir de los genes naturales, o utilizando una construcción de genes reporteros, por ejemplo, la fusión de un promotor putativo din con el gen lacZ sin promotor que codifica la β-galactosidasa. Graham Walker y sus colaboradores fueron los primeros en emplear para esta tarea un fago defectuoso, Mu1d(Ap,lacZ) construido por Casadaban y Cohen , que se inserta fácilmente al azar en el cromosoma de E. coli K12 y crea una mutación. Este fago lleva un gen lacZ sin promotor, por lo que la β-galactosidasa no se expresa. Sin embargo, cuando el fago Mu se integra por casualidad bajo el promotor de un gen din formando un operón funcional din::Mu-1d(Ap,lacZ), se sintetiza β-galactosidasa en respuesta al daño del ADN.

Dado que la hidrólisis del sustrato de la β-galactosidasa (o-nitrofenil-β-galactósido) forma colonias amarillas, las que llevan una fusión din::Mu-lacZ se seleccionan fácilmente en placas de agar; el nivel preciso de β-galactosidasa expresado en respuesta al daño del ADN puede entonces medirse con precisión en medio líquido (véase la Fig.1 para más detalles). De esta manera se detectaron más de diez nuevos din-genes y la mayoría de ellos se identificaron posteriormente.

Recientemente, se ha elaborado un nuevo método para medir la expresión del gen SOS y la actividad del promotor de los genes SOS (por ejemplo, recA, lexA, umuDC) utilizando un plásmido que lleva un promotor SOS para ser investigado fusionado con el gen reportero gfp que codifica la proteína verde fluorescente (GFP) . Esto permite medir la actividad del promotor de los genes SOS en una sola célula bacteriana, así como la localización y la duración de la inducción de SOS. Parece que la inducción de los genes SOS no se produce como un único evento, sino que sigue varios pasos repetibles cuya modulación depende de la dosis inductora de SOS, del nivel de daño en el ADN y de la acumulación de la proteína UmuD’. Este método abre una nueva vía para medir la dinámica de la respuesta SOS.

3.2. Por búsqueda de cajas SOS: Determinación del índice de heterología (HI)

Los avances en la secuenciación del ADN y el conocimiento de los elementos característicos de las secuencias de los genes SOS permitieron realizar búsquedas computacionales directas de los genes inducibles por SOS. Cuando se había secuenciado el 33% del ADN cromosómico de E. coli, Lewis et al. localizaron mediante análisis de secuencias y experimentos cuantitativos de unión al ADN seis nuevos genes potencialmente regulados por LexA, y los denominaron sosA-F . Para dos de ellos, sosC y sosD, los autores confirmaron experimentalmente que se unían fuertemente al represor LexA purificado.

Sucesivamente, comparando las secuencias de las cajas SOS de 19 genes din conocidos en ese momento (incluyendo sosA-sosF), establecieron que la secuencia consenso de la caja SOS es un palíndromo perfecto, TACTG(TA)5CAGTA ; y sobre la base de la teoría de Berg y von Hippel calcularon matemáticamente para cada una de las cajas SOS un índice de heterología (HI). Este índice indica la desviación de una caja SOS con respecto al consenso y, cuando su valor es bajo, el gen está fuertemente reprimido, y cuando su valor es alto, se deprime más fácilmente. Con un HI superior a 15, el represor LexA no se une a la caja SOS. Por lo tanto, el valor de HI es una medida de la fuerza relativa de la unión del represor LexA a una caja SOS dada, y es responsable de la variación en el potencial de desrepresión.

Una vez determinada la secuencia de ADN de todo el cromosoma de E. coli K12, Fernández de Henestrosa et al localizaron, mediante la búsqueda de potenciales cajas SOS asociadas a marcos de lectura abiertos, 69 potenciales cajas SOS con un valor de HI ≤ 15, incluyendo todas las conocidas previamente y siete nuevas. Los nuevos genes fueron posteriormente analizados por su capacidad de expresarse al tratamiento con MC, por la longitud del ARNm expresado y los valores de HI (Fig. 2). Los análisis se llevaron a cabo en tres cepas isogénicas de E. coli que diferían en el alelo lexA: lexA+ (tipo salvaje) inducible por SOS, lexA3(Ind-) no inducible por SOS y el alelo lexA51(Def) de expresión constitutiva. Se caracterizaron y discutieron las posibles funciones de los genes nuevos y antiguos. Los resultados confirmaron que cada uno de los nuevos genes que contienen cajas SOS era efectivamente un gen dependiente de LexA, y su expresión era inducida por MC sólo en la cepa lexA+; por lo demás, no se expresaban (lexA3), o se expresaban completamente (lexA51), independientemente de si las bacterias eran tratadas con MC o no (véase la Fig 2 para más detalles).

A partir de la secuencia de nucleótidos del gen ydjQ (nombres alternativos b1741 sosD) se dedujo que codifica la proteína de 295 aminoácidos de longitud que comparte una homología significativa con la mitad N -terminal de la proteína UvrC . Se sabía que la UvrABC-excinucleasa (formada por las proteínas UvrA, UvrB y UvrC) participaba en la reparación de escisión de nucleótidos (NER), que elimina aductos voluminosos o lesiones que afectan a la estructura (por ejemplo, dímeros de pirimidina, fotoproductos de pirimidina (6-4) y sitios abásicos) del ADN modificado . También se sabía que la parte N de UvrC incide en el ssDNA inicialmente en el lado 3′ de la lesión, y luego la parte C de UvrC incide en el ADN en el lado 5′ de la lesión. Recientemente, Moolenaar et al, renombraron la proteína YdjQ como Cho (por el homólogo de UvrC) y examinaron su actividad enzimática. Confirmaron que la proteína Cho incide los complejos de preincisión UvrB-ADN sólo en el lado 3′ de la lesión; sin embargo, algunas lesiones en el ADN que fueron incisas muy pobremente por la proteína UvrC fueron incisadas muy eficientemente por la proteína Cho. Así, la proteína Cho aumenta en gran medida el rango de sustrato en la reparación del ADN por el sistema NER. Los genes uvrA, uvrB y ydjQ (pero no uvrC) son genes inducidos por SOS.

3.3. Localización de genes din mediante técnicas de microarray

La técnica de microarray permite monitorizar un gran número de genes en un mismo experimento. Courcelle et al., utilizaron microarrays que contenían fragmentos cromosómicos amplificados de ADN de E coli con marcos de lectura abiertos de 4101 genes (95,5% del total) para medir la expresión de todos los genes en cepas irradiadas por UV y no irradiadas inducibles por SOS (lexA+) y no inducibles por lexA1(Ind-). En la cepa lexA+ irradiada con UV, los autores identificaron 17 nuevos genes inducidos por SOS dependientes de LexA, además de los 26 conocidos de antemano; por tanto, el número total de genes inducibles por SOS en E. coli es probablemente de 43. En la misma publicación, los autores establecieron que el gen ssb, que codifica una proteína de unión a ssDNA, no es inducible por SOS, como se pensaba anteriormente. También observaron una serie de genes cuya expresión aumentaba (normalmente no más de dos veces) en las células irradiadas con UV, pero que no estaban regulados por la proteína LexA. Observaron que los transcritos proteicos de muchos genes no regulados por LexA se reducían tras la irradiación UV, y concluyeron que estos transcritos estaban probablemente dañados o degradados por la UV. También identificaron treinta genes que tenían estructuras potenciales similares a las cajas SOS, pero que no estaban reguladas por LexA.

Mecanismo y especificidad de la unión del represor LexA a las cajas SOS

Se cree que se han identificado las secuencias de todas las cajas SOS potenciales en el cromosoma de E. coli. En la Tabla 1 se muestran algunos ejemplos de cajas SOS que se unen (A) o no se unen (B y C) al represor LexA, junto con los valores de HI y el número de desajustes (NM). NM denota el número de posiciones en las cajas SOS que se desvían de un palíndromo perfecto. Tanto el número como el patrón de desajustes pueden ser claves para la especificidad de la unión de la proteína LexA a cada caja SOS individual. Parece que esta hipótesis es una buena explicación para la especificidad y la diferente fuerza de unión de la proteína LexA a las secuencias de cajas SOS. Pero esto debería confirmarse.

Se puede ver que, en general, cuando las cajas SOS tienen valores de HI bajos, entre 2,7 y 12, pueden unirse al represor LexA (Tabla 1A); y cuando el HI es superior a 16,4 (Tabla 1B) aparentemente son incapaces de unirse al represor LexA. Sin embargo, en algunos casos (mostrados en la parte C) como los genes yigN (nombre alternativo sosB), y dinJ (sosA), las cajas SOS no se unen al represor LexA a pesar de sus valores moderados de HI (9,27 y 7,06, respectivamente) .

Características de algunos genes inducidos por SOS

Los genes de respuesta SOS se encuentran dispersos por el cromosoma de E. coli como genes individuales situados en operones individuales. Seis de ellos, umuDC (la fuente de Pol V), ruvAB (que cataliza la migración de la rama en las estructuras de Holliday) e ysdAB (de función desconocida) están codificados por pares de genes que forman un operón. Por lo general, sólo hay un SOS-box en un operón. Las excepciones son los genes lexA e ydjM (b1728) que contienen dos cajas SOS cada uno (separadas por una y dos bases, respectivamente) y recN que contiene tres cajas SOS. Las secuencias de las cajas SOS en un gen son diferentes. En el caso de ydjM, dos represores LexA diméricos se unen cooperativamente a cada caja SOS, y como se estima, ambos son funcionales . Las secuencias de las cajas SOS en un gen difieren entre 2 y 4 bases. Cómo y por qué surgen las cajas SOS adicionales en los genes, y cómo influyen en el potencial de expresión del gen son cuestiones que quedan por responder.

El tiempo necesario para la desrepresión de los genes inducidos por SOS

La escala de tiempo para la desrepresión del gen y la síntesis de las proteínas inducidas por SOS varía para los genes individuales. Los genes que se despresionan más rápidamente (<1 minuto después de la inducción del SOS) son: lexA, que codifica la proteína represora LexA (que se degrada rápidamente en las células inducidas por el SOS), uvrAB, cho y uvrD, que participan en la reparación NER, ruvAB, que participa en la reparación recombinativa del ADN, polB y dinB, que codifican la Pol II y la Pol IV, respectivamente, y dinI, cuyo producto inhibe el procesamiento de UmuD en UmuD’. La proteína UmuD’ es necesaria para la síntesis de la Pol V mutagénica (UmuD’2C) . Por lo tanto, la proteína DinI retrasa la síntesis de Pol V. La expresión de los genes recA y recN, que codifican proteínas de recombinación y reparación recombinacional, tiene lugar 5 minutos después de la inducción del SOS, mientras que la de sulA (antiguo nombre, sfiA) y umuDC se produce en la última fase de la inducción del SOS . La proteína sulA es un inhibidor de la división celular que provoca el crecimiento filamentoso de las células y prolonga el tiempo durante el cual el ADN celular puede ser reparado.

Números de copia de los genes din que codifican proteínas

RecA y UvrD pertenecen a las proteínas más abundantemente sintetizadas. Su número a nivel constitutivo es, respectivamente, de unas 10.000 y 8.000 copias por célula y se multiplica por 10 tras la inducción de SOS . La proteína RecA se une al ssDNA y probablemente lo protege contra la destrucción incontrolada. La UvrD, la helicasa del ADN II, participa en la reparación de desajustes (MMR) dependiente de la presa mutHLS y en la reparación dependiente de UvrABC y Cho (NER) desplazando el ssDNA dañado de la cadena de ADN reparada. El número de moléculas de proteínas sintetizadas en las células no inducidas frente a las inducidas por SOS es el siguiente 20:250 para UvrA; 250:1000 para UvrB; 40:300 para DNA Pol II, y 250:2500 para DNA Pol IV (11, 34). La proteína UmuD se expresa, a 180 moléculas por célula no inducida, y a 2400 moléculas por célula carente de represor LexA funcional; hay 200 moléculas de UmuC por célula inducida por SOS y no hay Pol V (< 15 moléculas) en la célula no inducida .

Polimerasas de ADN mutagénicas inducidas por SOS

En E. coli, aparte de la Pol III que replica el ADN constitutivamente, hay tres polimerasas de ADN potencialmente mutagénicas cuya síntesis está aumentada (Pol II y Pol IV) u ocurre sólo en células inducidas por SOS (Pol V). Entre ellas, la Pol II es la única ADN polimerasa que posee una actividad de corrección de exonucleasas 3′-5′ y es la menos propensa a errores; su función también incluye la recuperación del ADN degradado en las horquillas de replicación . Tanto la pol II como la pol IV aparecen en las primeras etapas de la inducción del SOS, y la pol V en su etapa final. La Pol V es la enzima más propensa a errores y la más importante para la mutagenicidad de las células inducidas por SOS.

En E. coli defectuosa en umuD(C) casi no se inducen mutaciones tras la irradiación UV y las mutaciones inducidas por el tratamiento con MMS se reducen considerablemente . Las principales lesiones mutagénicas que se forman en el ADN tras la irradiación UV son los dímeros de ciclobutano TT-cis-sin y los fotoproductos CT o TT (6-4) , mientras que tras el tratamiento con MMS predominan la 3-metiladenina (3meA), los sitios apurínicos y 1meA y 3meC (en las células mutantes de alkB). Tanto la UV como el MMS, al igual que muchos otros mutágenos, son inductores de SOS y, por lo tanto, aunque las lesiones dañinas son diferentes, la señal inductora de SOS debe ser común; generalmente se acepta que las señales inductoras de SOS son filamentos de RecA/ADNs que se forman al acumularse el ADNs en las células cuando se detiene la síntesis de ADN. Algunas de las lesiones premutagénicas requieren de las ADN polimerasas mutagénicas para dar lugar a mutaciones, mientras que otras no. Sin embargo, qué ADN polimerasa mutagénica inducida por el SOS se requiere depende del tipo de lesión.

Conclusión

La hipótesis de la respuesta al SOS fue asombrosa, fructífera e inspiradora. Hemos reunido mucha información sobre el metabolismo del ADN, la expresión de los genes inducidos por el SOS y sus funciones. Sin embargo, siguen surgiendo nuevas ideas.

Agradecimientos

Estoy muy agradecido al profesor Graham C.Walker, a Roger Woodgate y a la editorial Blackwell Science por los permisos de reimpresión.

Conflicto de intereses

El autor ha declarado que no existe ningún conflicto de intereses.

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