GEN WRN: ACTIVIDAD HELICASA Y MUTACIONES RELACIONADAS CON EL SÍNDROME DE WERNER

Alejandra Esteban Gómez, María Fresnadillo Castaño y Alba Martín Tutor. Biología Sanitaria – Universidad de Alcalá

Introducción

El gen WRN humano se localiza en la región p12 del brazo corto del cromosoma 8. Este gen codifica la proteína WRN, que pertenece a la familia RecQ de helicasas. Esta proteína presenta tanto actividad helicasa como actividad exonucleasa, siendo la única de toda la familia que presenta esta última. [1]

Figura 1: Representación gráfica de la localización del gen WRN dentro del cromosoma 8 humano.

El dominio helicasa se encarga de desenrollar la doble hélice de DNA, mientras que el dominio exonucleasa elimina nucleótidos en sentido 3’-5’, ya sea en los extremos, en huecos o en cortes. Ambas actividades se encuentran reguladas por la interacción con una serie de proteínas implicadas en la reparación, replicación y recombinación del DNA, lo que sugiere que esta enzima juega un papel fundamental en estos procesos. Además, se pueden dar de forma simultánea, aunque también puede aparecer únicamente la actividad helicasa en determinadas circunstancias. [2]

Sin embargo, este gen es el defectivo en el síndrome de Werner, una enfermedad autosómica recesiva en humanos. Se caracteriza por un envejecimiento prematuro y una elevada incidencia de cáncer. Las células afectadas presentan inestabilidad genómica, recombinación anormal y defectos en la replicación. En ellas observamos, por ejemplo, el acortamiento de los telómeros. [3]

Actividad helicasa

En primer lugar, hay que dejar claro que las helicasas son las enzimas que separan las dos hebras que forman los duplexos de DNA. Para ello, emplean la energía obtenida a través de la hidrólisis de ATP. Las helicasas de la familia RecQ que mencionamos anteriormente se encargan de proteger al genoma frente a cambios perjudiciales. Esta familia se ha conservado desde procariotas hasta mamíferos.

Figura 2: Esquema sobre los dominios de la familia de helicasas RecQ en los diferentes organismos en los que aparecen. Extraído del artículo de la referencia [4].

En el núcleo con actividad helicasa de esta proteína, el componente más grande y conservado es el dominio ATPasa. Este presenta dos subdominios dependientes de ATP y que se encargan de translocar el DNA. Sin embargo, la actividad helicasa no corresponde únicamente a este dominio, sino que también está implicado el dominio RQC. Este nombre implica que aparecen exclusivamente en las helicasas de esta familia y que se localizan en el extremo C-terminal del dominio ATPasa (RecQC-terminal).

Figura 3: Estructura del dominio RQC de la helicasa WRN (marcado en azul) unido a una doble hélice de DNA de 14 pares de bases (marcado en naranja). La imagen de la derecha está rotada 90º con respecto a la de la izquierda. Las principales estructuras están rotuladas. Extraída del artículo de la referencia [4].

Este dominio está constituido por 5 hélices α y 4 láminas β. Aparecen dos monómeros independientes, que interactúan con el DNA mediante interacciones idénticas, en las que intervienen 8 pares de bases terminales. El núcleo de este dominio se encuentra formado por residuos hidrofóbicos.

El bucle entre las hélices α2 y α3 interactúa con el surco mayor del DNA y transcurre paralelo a la hebra 3’, con cuyo esqueleto fosfatado forma 7 puentes de hidrógeno. Además, también interacciona con los fosfatos de la hebra 5’. Cada extremo del DNA se encuentra unido a una horquilla β, conocida como ala β (β-wing). [4]

Figura 4: Representación gráfica del dominio RQC de la helicasa WRN unido a una doble hélice de DNA. Creada con Chimera. PDB: 3AAF.

Por lo general, las proteínas se suelen unir al DNA mediante una hélice de reconocimiento, que interacciona con alguno de los dos surcos de la doble hélice. En cambio, en la proteína WRN la hélice de reconocimiento se encuentra alejada de la zona de unión con el DNA. Por lo tanto, podemos ver que esta helicasa actúa de manera independiente, es decir, no interactúa con una secuencia específica del DNA. Sin embargo, muestra cierta preferencia por determinadas estructuras del DNA que se forman durante su recombinación, replicación y reparación. [5]

Desafortunadamente, su mecanismo de acción no está determinado todavía. Lo que sí se ha estudiado es que una serie de iones metálicos actúan como cofactores o inhibidores.

El principal cofactor se trata de Mg2+. Además, tanto Mn2+ como Ni2+ pueden reemplazarlo, aunque con menor efectividad.

En cuanto al Zn2+, se observó que la afinidad por este aumentaba en el dominio exonucleasa en ausencia de ATP. Por lo tanto, se sugirió que este dominio podría presentar una zona de unión a este ion metálico, ya que es capaz de estimular la actividad exonucleasa. También se piensa que Zn2+ puede actuar como un convertidor desde la actividad helicasa a la actividad exonucleasa.

Algunos iones metálicos, como Fe2+ o Cu2+, pueden inhibir específicamente la actividad helicasa a altas concentraciones. Por lo tanto, se inhiben también los mecanismos de reparación del DNA en los que intervienen, que no se podrán llevar a cabo. [6]

Debido a ello, aparece una regulación asociada a la disponibilidad de iones metálicos en el ambiente. Esto puede afectar seriamente a las funciones de esta proteína dentro del metabolismo del DNA.

Mutaciones relacionadas con el síndrome de Werner

Los afectados por el síndrome de Werner suelen ser propensos a desarrollar enfermedades relacionadas con la edad de forma prematura. Estas pueden ser cataratas, dislipidemia, diabetes mellitus, osteoporosis, ateroesclerosis y cáncer. Además, presentan baja estatura, canas a edades tempranas y unas facciones características. [7]

Se han estudiado más de 90 mutaciones que pueden inactivar potencialmente la proteína WRN, de acuerdo con el Registro Internacional del Síndrome de Werner. Entre todas ellas, observamos sustituciones de bases, inserciones y deleciones, así como otras mutaciones más complejas. Todo esto lleva a lecturas erróneas del gen, lo que conlleva una pérdida de funcionalidad de la proteína resultante o a un fallo en la localización posterior de esta.

Figura 5: Representación esquemática de la proteína WRN humana con los diferentes residuos polimórficos que se estudian en el artículo de la referencia [8].

Por ejemplo, una mutación cercana a la región RQC se ha relacionado con un aumento en el riesgo de desarrollar cáncer de mama en mujeres con menarquias tempranas en poblaciones chinas. Otras mutaciones aparecen en la región cercana al extremo C-terminal y aumentan el riesgo de sufrir accidentes cerebrovasculares en poblaciones europeas.

Sin embargo, mutaciones en esta última región también pueden reducir la incidencia de sarcomas de hueso y tejidos blandos en poblaciones japonesas. No se sabe con exactitud el mecanismo por el que tienen lugar estos procesos. [8]

Todo esto demuestra la importancia de la biología molecular, ya que un pequeño cambio en el gen que codifica para esta enzima puede suponer un gran problema. Falta, por lo tanto, mucha más investigación acerca del tema para ser conscientes realmente de cómo funciona esta proteína y para poder prevenir la aparición de este síndrome.

Bibliografía

[1] Fry, M. (2002) ‘The Werner Syndrome Helicase-Nuclease–One Protein, Many Mysteries’, Science of Aging Knowledge Environment, 2002(13), pp. 2re – 2. doi: 10.1126/sageke.2002.13.re2.

[2] Brosh, R. M., Opresko, P. L. and Bohr, V. A. (2006) ‘Enzymatic Mechanism of the WRN Helicase/Nuclease’, Methods in Enzymology, 409(2004), pp. 52–85. doi: 10.1016/S0076-6879(05)09004-X.

[3] Moser, M. J., Kamath-Loeb, A. S., Jacob, J. E., Bennett, S. E., Oshima, J. and Monnat, R. J. (2000) ‘WRN helicase expression in Werner syndrome cell lines’, Nucleic Acids Research, 28(2), pp. 648–654. doi: 10.1093/nar/28.2.648.

[4] Kitano, K., Kim, S. Y. and Hakoshima, T. (2010) ‘Structural Basis for DNA Strand Separation by the Unconventional Winged-Helix Domain of RecQ Helicase WRN’, Structure. Elsevier Ltd, 18(2), pp. 177–187. doi: 10.1016/j.str.2009.12.011.

[5] Ahn, B. and Bohr, V. A. (2011) ‘DNA secondary structure of the released strand stimulates WRN helicase action on forked duplexes without coordinate action of WRN exonuclease’, Biochemical and Biophysical Research Communications, 411(4), pp. 684–689. doi: 10.1016/j.bbrc.2011.06.184.

[6] Choudhary, S., Sommers, J. A. and Brosh, R. M. (2004) ‘Biochemical and kinetic characterization of the DNA helicase and exonuclease activities of werner syndrome protein’, Journal of Biological Chemistry, 279(33), pp. 34603–34613. doi: 10.1074/jbc.M401901200.

[7] Moser, M. J., Oshima, J. and Monnat, R. J. (1999) ‘WRN mutations in Werner syndrome’, Human Mutation, 13(4), pp. 271–279. doi: 10.1002/(SICI)1098-1004(1999)13:4<271::AID-HUMU2>3.0.CO;2-Q.

[8] Lebel, M. and Monnat, R. J. (2018) ‘Werner syndrome (WRN) gene variants and their association with altered function and age-associated diseases’, Ageing Research Reviews. Elsevier B.V., 41, pp. 82–97. doi: 10.1016/j.arr.2017.11.003.

+2
Compartir

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

10 + 10 =