frame|direita|Lesões no ADN resultam em múltiplas fraturas nos cromossomos thumbtime=1|thumb|Paul Modrich
Reparação de ADN é um conjunto de processos pela qual a célula identifica e corrige os danos das moléculas de DNA que codificam o seu genoma. Em células humanas, tanto atividades metabólicas normais quanto fatores ambientais (como raios UV) podem causar danos no ADN, resultando em cerca de lesões moleculares individuais por dia.Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL, Darnell J. (2004). Molecular Biology of the Cell, p963. WH Freeman: New York, NY. 5th ed. Muitas dessas lesões causam danos estruturais à molécula de ADN e podem alterar ou eliminar a habilidade celular para transcrição gênica. Outras lesões provocam mutações potencialmente prejudiciais no genoma celular, que afetam a sobrevivência de suas células irmãs que depois sofrem mitose. Como consequência, o processo de reparo de ADN precisa estar funcionando constantemente para resolver rapidamente os danos na estrutura do ADN.
A célula possui vários mecanismos para reparar os danos no ADN, que podem ou não exigir um molde para orientar a reparação e ressintetizar as partes danificadas, e podem realizar a reparação com grande precisão ou de forma mais imprecisa (o ADN não é idêntico ao original), e os segmentos de ADN podem mesmo ser perdidos. Estes mecanismos são: (1) reversão direta, que utiliza enzimas que não requerem um molde; (2) reparação por excisão, que utiliza a outra cadeia de ADN como molde para reparar quebras de cadeia simples, e pode ser realizada por reparação por excisão de bases, excisão de nucleótidos, ou reparação de incompatibilidades; (3) reparação de quebra de dupla febra (ou "fita"), que pode ser realizada por união de extremidade não homóloga, união de extremidade mediada por microhomologia, ou recombinação homóloga, e (4) síntese de translesão, que funciona durante a replicação de ADN utilizando ADN polimerases especiais.
A acumulação de danos, especificamente quebras de dupla febra ou adutos do ADN que causam a paragem da forquilha de replicação, está entre os sinais estimulatórios conhecidos por desencadear uma resposta global ao dano no ADN, dirigida à preservação das próprias células, que ativa muitas vias de reparação macromolecular, recuperação de locais danificados, tolerância ou apoptose, cujas características comuns são a indução de muitos genes, paragem do ciclo celular e inibição da mitose.
Quando os processos normais de reparação falham e a apoptose celular (morte das células danificadas) não ocorre, podem ocorrer danos irreparáveis no ADN, como quebras de cadeia dupla e ligações cruzadas de ADN, ou seja, ligações cruzadas entre as duas cadeias (ou ICLs, na sua sigla em inglês: Interstrand CrossLinks).
A taxa de reparo de ADN é dependente de muitos fatores, inclusive o tipo de célula, a idade celular e o meio extracelular. Uma célula que tem acumulado uma grande quantidade de danos de ADN, ou que não repare efetivamente os danos incorridos nele, terá um dos três possíveis destinos:
um irreversível estado de dormência, conhecido como senescência; a célula se "suicida", o que é conhecido como apoptose, ou morte celular programada; carcinogênese, a formação de câncer.
A capacidade de uma célula reparar o seu ADN é vital para manter a integridade do seu genoma e, por conseguinte, para o funcionamento normal de todo o organismo. Muitos genes que inicialmente influenciavam a longevidade foram posteriormente descobertos como estando envolvidos na reparação e proteção do ADN. Os danos no ADN são propostos como uma das principais causas do envelhecimento humano. Diversas doenças genéticas hereditárias, como a progéria, são causadas por alterações em genes envolvidos na reparação do ADN.
Estudos epigenéticos demonstraram que as alterações epigenéticas nos genes de reparação do ADN têm uma influência essencial na carcinogénese. Os mecanismos de reparação do ADN devem ter surgido quando uma atmosfera rica em oxigénio surgiu na Terra no Pré-Câmbrico, causando danos oxidativos no ADN. Os processos básicos desta reparação são altamente conservados em todos os domínios da vida: bactérias, arqueias, eucariotas e até mesmo em vírus bacteriófagos.
A maioria das células no corpo primeiramente tornam-se senescentes. Então, depois de danos irreparáveis ao ADN, ocorre a apoptose. Nesse caso, a apoptose funciona como um "último recurso" prevenindo a célula de tornar-se carcinogênica ameaçando o organismo.
Quando as células tornam-se senescentes, alterações na biossíntese fazem com que funcionem menos eficientemente. A capacidade do reparo de ADN de uma célula é vital para a integridade do genoma e, consequentemente, para o seu funcionamento normal e o do organismo. Sabe-se que vários genes que inicialmente foram demonstrados como influentes na longevidade estão envolvidos em proteção e reparo aos danos no ADN.
Em 2015 o Prêmio Nobel de Química foi concedido Tomas Lindahl, Paul Modrich e Aziz Sancar pelos estudos mecanicísticos para reparo de DNA.
Danos no ADN Os danos no ADN, devidos aos fatores ambientais e dos processos metabólicos celulares normais, ocorrem a uma taxa de a lesões por célula diariamente. Ainda assim, várias outras fontes de danos podem elevar ainda mais essa taxa. Enquanto isso constitui apenas 0,000165% do genoma humano, (3 bilhões) de bases, uma única lesão não reparada em um gene relacionado ao câncer (como o gene supressor de tumor) pode ter consequências catastróficas ao indivíduo.
A maioria dos danos no ADN afectam a estrutura primária da dupla-hélice; isto é, as próprias bases são modificadas quimicamente. Estas modificações podem, por sua vez, alterar a estrutura helicoidal das moléculas ao introduzir ligações químicas não nativas ou adutos volumosos que não se encaixam bem na estrutura da dupla-hélice padrão. O ADN está superenrolado e associado a proteínas de "empaquetamento" chamadas histonas (em eucariotas), e ambas as estruturas são vulneráveis aos efeitos dos danos no ADN, e devem ser reparadas. A própria modificação de histonas faz parte dos mecanismos de reconhecimento dos danos e reparação do ADN.
Danos no DNA nuclear (nDNA) versus danos no DNA mitocondrial (mDNA) Em humanos, e células eucarióticas em geral, o DNA é encontrado em duas localidades na célula: no núcleo (nDNA) e dentro das mitocôndrias. DNA nuclear existe em larga escala em estruturas agregadas conhecidas como cromossomos, os quais são compostos de DNA e, envolvidas por proteínas chamadas histonas. Sempre que a célula precisa expressar a informação genética codificada no nDNA é requerida uma região cromossômica não-revelada, genes localizados lá são expressos e a região é condensada de volta a conformação quiescente. O DNA mitocondrial (mtDNA) é localizado dentro da mitocôndria; existem em múltiplas cópias e isso é também fortemente associado com o número de proteínas para formar um complexo conhecido como nucleoide. Dentro da mitocôndria, espécies reativas de oxigênio (ERO) ou radicais livres, são produtos da constante produção de trifosfato de adenosina (ATP) via fosforilação oxidativa, criam um ambiente altamente oxidativo que é conhecido por danos no mtDNA.DNA Damage & Repair: Mechanisms for Maintaining DNA Integrity por Suzanne Clancy em "Nature Education" - (Clancy, S. (2008) DNA damage & repair: mechanisms for maintaining DNA integrity. Nature Education 1(1):103
Em condições de exercício físico intenso ou prolongado, a produção mitocondrial de EROs aumenta substancialmente, elevando o risco de danos ao mtDNA. Pesquisas recentes sugerem que intervenções com antioxidantes exógenos, como a melatonina, podem atenuar esses danos ao fortalecer os sistemas antioxidantes mitocondriais.
Fontes de danos Os danos no ADN podem ser divididos em dois tipos principais:
Danos endógenos originados por causas internas como: Mutações espontâneas como as causadas pelo ataque de espécies reativas do oxigénio produzidas a partir de subprodutos metabólicos normais, especialmente no processo de desaminação oxidativa. Também inclui os erros de replicação. Danos exógenos causados por agentes externos como: Radiação ultravioleta [UV 200-400 nm] do sol. Radiações de outras frequências, como raios X e gama. Hidrólise ou alteração térmica. Certas toxinas de plantas. Compostos químicos mutagénicos artificiais, especialmente os aromáticos, que atuam como agentes intercalantes do ADN. Vírus.
A replicação do ADN danificado antes da divisão celular pode causar a incorporação de bases incorretas na cadeia complementar do ADN em frente das bases danificadas. As células-filhas que herdam estas bases incorretas carregam mutações, pelo que a sequência de ADN original é irrecuperável, exceto no raro caso de ocorrer uma mutação retrógrada (isto é, uma mutação pontual que restaura a sequência original e, portanto, o fenótipo original), por exemplo por conversão génica.
Tipos de dano Há vários tipos de danos no ADN devidos a processos celulares endógenos: Oxidação de bases (por exemplo, geração de 8-oxo-7,8-di-hidroguanina) e geração de interrupções da fita de ADN causadas por espécies reativas do oxigénio. Alquilação de bases (usualmente metilação), como a formação de 7-metilguanina, 1-metiladenina, 6-O-metilguanina.Baylln, S. B.; Herman, J. G.; Graff, J. R.; Vertino, P. M.; Issa, J. P. (1997). "Alterations in DNA Methylation: A Fundamental Aspect of Neoplasia". Advances in Cancer Research Volume 72. Advances in Cancer Research 72. p. 141. doi 10.1016/S0065-230X(08)60702-2. . Hidrólise de bases, como a desaminação, despurinação e despirimidinação. Formação de adutos volumosos (como os adutos benzo[a]pireno diol epóxido-dG ou aristolactam I-dA). Discordância na complementaridade de bases, devido a erros na replicação do ADN, na qual é colocada numa fita de ADN de nova formação uma base errada, ou é omitida uma base ou é inserida indevidamente uma base extra. Danos de monoadutos causados por alterações numa só base nitrogenada do ADN.Kendric Smith. Photochemical and Photobiological Reviews. Google books. Páginas 274-275. Danos de diadutos. Os danos causados por agentes exógenos ocorrem de muitas formas. Alguns exemplos são: # A luz UV-B causa a formação de ligações cruzadas entre bases timina e citosina adjacentes, criando dímeros de pirimidina. Isto denomina-se danos diretos ao ADN.M. J. Peak, J. G. Peak. Effects of Solar Ultraviolet Photons on Mammalian Cell DNA A luz UV-A cria principalmente radicais livres. Os danos causados pelos radicais livres denominam-se danos indiretos ao ADN. As radiações ionizantes como as geradas pela radioatividade ou os raios cósmicos causam roturas nas fitas do ADN. A radiação ionizante de nível intermédio pode induzir danos irreparáveis no ADN (que causam erros na replicação e transcrição que são um passo necessário para a formação de neoplasias ou podem desencadear interações virais) que originam um envelhecimento prematuro e cancros. A alteração térmica a temperaturas elevadas aumenta o grau de despurinação (perda de bases púricas no ADN) e roturas de uma fita. Por exemplo, a despurinação hidrolítica dá-se nas bactérias termófilas, que crescem em fontes termais a 40-80 °C. A taxa de despurinação (300 resíduos de purina por genoma e por geração) é demasiado alta nestas espécies para ser reparada pela maquinaria normal de reparação, pelo que não se pode descartar a possibilidade de que seja uma resposta adaptativa.