DNA polimerasa Q (pol theta)

(Por Esther Piñeiro Sánchez, Paula Sobrín Prada y Laura Toledano Labrado)(Grupo 4D)

  • INTRODUCCIÓN

La DNA polimerasa Q, también conocida como pol theta, es una ADN polimerasa cuya presencia en los mamíferos ha sido recientemente descubierta. Sus funciones, que aún se están investigando, llevan a pensar que actúa convirtiendo las secuencias de ARN en ADN, lo cual desafía el dogma de la biología y era, hasta el momento, una función única en los virus, más conocidos como retrovirus

Por ello, nuestro grupo formado por Esther Piñeiro Sánchez, Paula Sobrín Prada y Laura Toledano Labrado (alumnas de 1º de Biología Sanitaria, en la UAH) hemos decidido investigar sobre esta proteína y presentar ante vosotros todo lo que hemos descubierto.

  • RESUMEN 

La DNA polimerasa theta (Pol θ, codificada por el gen POLQ) es una de las 15 ADN polimerasas del genoma humano. Esta proteína pertenece a la familia A de las polimerasas. Las polimerasas que forman parte de esta familia también son conocidas como polimerasas replicativas o polimerasas de la reparación1

Existe una relación evolutiva con la polimerasa I, implicada en la reparación del ADN, por ello está relacionada con la reparación de tumores. En humanos se caracteriza por niveles de expresión muy bajos en células normales y por altos niveles en un amplio número de tumores. Esto hace que pueda utilizarse como “marcador tumoral”.

Las células poseen mecanismos de duplicación del ADN con objeto de crear y transportar esta duplicación a una célula recién formada. Las Polimerasas, al ser un tipo de enzimas implicadas en esta duplicación, construyen mensajes de ARN, como «guion de instrucciones» copiado del ADN, de forma que puedan ser leídas más eficientemente y den lugar a las proteínas.  

La Pol θ es capaz de hacer que el ARN afecte al ADN. Sin embargo, esta no está habitualmente en los tejidos de los organismos normales, al ser típica de células cancerígenas. 2

En las células sanas, la función principal de esta proteína es la reparación del ADN (que puede estar mutado) mediado por el ARN

  • ESTRUCTURA Y MECANISMO

En cuanto a su estructura, se diferencia del resto de ADN polimerasas humanas, presentando además de un dominio de Carbono terminal, un dominio N-terminal que presenta similitudes y motivos típicos de la superfamilia 2 (SF2) de helicasa. Ambos dominios están separados por un largo dominio cuya función permanece desconocida. 3

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Imagen de la estructura de la Pol θ desarrollada mediante UCSF Chimera a partir de PDB: 5AGA

La Pol θ, al igual que el resto de ADN polimerasas intervienen en diferentes etapas o fases de la replicación del ADN, por lo que el conocimiento de este proceso es fundamental a la hora de llegar a comprender el papel específico que juega esta polimerasa. Por ello, os dejamos dos videos que son de gran ayuda a la hora de entender la replicación ya que son simples, esquemáticos y aportan una visión estructural necesaria para hacernos a la idea de cómo funciona (uno de los vídeos está en inglés, pero dispone de subtítulos en español).

Vídeo explicativo de la replicación
Vídeo sobre la replicación

Centrándonos ahora sí en la Polθ, ésta tiene como función principal la reparación de la doble hebra de ADN producida por el colapso de la horquilla de replicación, pero también es muy propensa a cometer errores o mutaciones. Actúa como una polimerasa de ADN, en sentido ADN-ARN, pero también puede actuar como retrotranscriptasa, es decir, uniéndose a ARN y leyéndolo de nuevo en una cadena de ADN.4

La Pol θ estructuralmente cuenta con cinco subdominios (ver en la imagen) de los cuales dos son dominios helicasas (D1 y D2) y los otros tres (D3, D4 y D5) están altamente relacionados con los dominios globulares y con su función de unión al ADN.5

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En esta imagen podemos diferenciar claramente, gracias a los colores, los distintos dominios de nuestra polimerasa, los cuales hemos explicado en este artículo.

Los dominios helicasa (D1 y D2) son los que permiten romper los puentes de hidrógeno que unen las bases nitrogenadas de las cadenas de ADN. Esta función es indispensable ya que permite separar la doble hélice a la hora de “corregir” los errores producidos durante la replicación.5

Respecto al D3, se corresponde con un dominio WH, también llamado de “hélice alada” que es un tipo de dominio de unión del ADN cuya función principal es la regulación de la transcripción. Sin embargo, aún no se conoce detalladamente cuál es su función en la Polimerasa theta.5

El D4 tiene una estructura completamente helicoidal y contacta con el D2, WH y el D5. Este dominio se encarga principalmente de unirse al ADN en replicación en 3 áreas diferentes: se une a la parte monocatenaria del ADN en replicación mediante enlaces de Van der Waals gracias a su residuo C-terminal; y debido a sus dos residuos N-terminales se unen a la región bicatenaria del ADN.5

Por último, el D5 contiene un motivo hélice-horquilla-hélice (HhH), en el cual se encuentran proteínas con diversas funciones, incluida la actividad de unión al ADN.6

En conclusión, los dominios D3, D4 y D5, le sirven a la Polimerasa θ principalmente para unirse a la cadena de ADN, mientras que los dominios helicasa (D1 y D2) para la separación de las hebras de la doble hélice a reparar.

  • PAPEL BIOMÉDICO

Debido a la relativa novedad del descubrimiento y el estudio de esta proteína las implicaciones biomédicas que ésta pueda llegar a tener aún no han sido explotadas al máximo, lo cual lleva a que apenas haya información útil y fiable sobre el papel biomédico que desempeña esta proteína. 

Con el fin de exponeros aquellas ideas más desarrolladas y que ya están siendo probadas y estudiadas, nos encontramos solamente ante un par de principios fundamentales:

El ARN que afecta al ADN ya fue observado en las enzimas: “polimerasas transcriptasas inversas”, las cuales están presentes en retrovirus como, por ejemplo, el VIH. Se determinó que éstas tenían la capacidad de generar ARN a partir de un “molde” de ADN. Actualmente, se conocen muchas enzimas diferentes que son capaces de llevar a cabo este mismo proceso. 7

Sin embargo, la DNA polimerasa theta, presenta esta cualidad con la novedad de que el ARN modifica al ADN para reparar sus mutaciones. El material genético puede verse lesionado por distintas razones y estas alteraciones pueden conducir al desarrollo de tumores.7

Aquellas mutaciones que afectan a las 2 hebras de ADN son las más peligrosas ya que  pueden suponer:

  • Pérdida de parte de un cromosoma.
  • Perdida de heterocigosidad de un alelo
  • Formación de translocaciones 8

El descubrimiento del papel que realiza la Polθ, puede abrir la puerta a diversos tratamientos para el diagnóstico de cánceres. Se habla también de que mediante la inhibición de dicha ADN polimerasa theta, podría evitarse que ésta induzca actividad cancerosa. 9

Otras especulaciones apuntan a que si esta polimerasa se consiguiera manipular a nuestro antojo podrían hacerse reparaciones en el ADN que eviten los tumores. Simplificando un poco la actividad que lleva a cabo la Pol θ se podría decir que “reescribe y corrige partes del ADN”. 7

“En las células sanas, el objetivo de esta molécula puede ser la reparación del ADN mediado por el ARN. En las células no sanas, como las cancerosas, la Pol θ está muy expresada y favorece el crecimiento de las células cancerosas y la resistencia a los fármacos.” Explicó Richard Pomerantz, coautor del artículo Polθ reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair.7

Refiriéndonos de nuevo a este artículo y debido a la actual situación que vivimos de pandemia debido a al SARS-CoV o coronavirus, este artículo se volvió viral entre aquellas personas denominadas “antivacunas”. Este colectivo, malinterpretando lo expuesto en el artículo, afirmaban que las vacunas que funcionan mediante ARN mensajero como lo son las vacunas creadas por MODERNA o Pfizer-BioNTech nos podían producir una mutación en nuestro ADN

Una manera muy simple y aplicada a la vida real de explicar este proceso es que el ADN funciona como un manual de instrucciones y el ARN es una impresora (proteína) que imprime sólo aquellas páginas que son necesarias a la hora de llevar a cabo la síntesis de proteínas. Sin embargo, se puede comparar la Polimerasa theta con un líquido corrector o Tipp-Ex y un boli, ya que puede llegar a transcribir o modificar el ADN (lo que se conoce como transcripción inversa).

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Esquema representativo de la metáfora de la impresora realizada anteriormente. Fuente de la imagen.
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Esquema representativo de la metáfora de la impresora realizada anteriormente Fuente de la imagen.

Cabe destacar, que, aunque esto es lo que expone el artículo, se experimentó in vitro con una única célula humana presente en pocos tejidos (sobre todo cancerosos) y no en tejidos humanos directamente. Por lo tanto, no se puede afirmar su eficacia al aplicarse a humanos en condiciones normales (in vivo) ni en todo tipo de células o tejidos.7

Además, las vacunas que funcionan con ARNm proporcionan a las células las instrucciones para que éstas fabriquen una determinada proteína (en el caso del coronavirus la proteína S). Las moléculas de ARN mensajero son muy frágiles, y desaparecen muy rápidamente tras ser usadas para producir la proteína S, además de que permanecen en el citosol y nunca llegan al núcleo donde se encuentra el ADN y donde se debería producir la supuesta modificación. 

Como conclusión, las vacunas contra el coronavirus no van a mutar o alterar tu ADN y son seguras; si bien es cierto que aún no sabemos hasta dónde se llegará en el campo de la biomedicina con esta nueva proteína, las posibilidades son muchas y nos han abierto las puertas a un futuro muy prometedor.

  • BIBLIOGRAFÍA

1.      Familias de la polimerasa de DNA. Accessed January 4, 2022. https://www.news-medical.net/life-sciences/DNA-Polymerase-Families-(Spanish).aspx

2.      El descubrimiento Polθ: cuando el ARN sí afecta a tu ADN sin vacunas de por medio | Newtral. Accessed January 4, 2022. https://www.newtral.es/polimerasa-pol-arn-afecta-adn/20210625/

3.      Wood RD, Doublié S. DNA polymerase θ (POLQ), double-strand break repair, and cancer. DNA repair. 2016;44:22-32. doi:10.1016/J.DNAREP.2016.05.003

4.      Wang Z, Song Y, Li S, et al. DNA polymerase (POLQ) is important for repair of DNA double-strand breaks caused by fork collapse. Journal of Biological Chemistry. 2019;294(11):3909-3919. doi:10.1074/JBC.RA118.005188/ATTACHMENT/4681163F-B35C-46C7-B28A-D7A39A32CCD5/MMC1.PDF

5.      Newman JA, Cooper CDO, Aitkenhead H, Gileadi O. Structure of the Helicase Domain of DNA Polymerase Theta Reveals a Possible Role in the Microhomology-Mediated End-Joining Pathway. Structure(London, England:1993). 2015;23(12):2319. doi:10.1016/J.STR.2015.10.014

6.      Shao X, Grishin N v. Common fold in helix-hairpin-helix proteins. Nucleic acids research. 2000;28(14):2643-2650. doi:10.1093/NAR/28.14.2643

7.      Chandramouly G, Zhao J, McDevitt S, et al. Polθ reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair. Science Advances. 2021;7(24):1771-1782. doi:10.1126/SCIADV.ABF1771/SUPPL_FILE/SCIADV.ABF1771_SM.PDF

8.      Mateos-Gomez PA, Gong F, Nair N, Miller KM, Lazzerini-Denchi E, Sfeir A. Mammalian polymerase θ promotes alternative NHEJ and suppresses recombination. Nature. 2015;518(7538):254-257. doi:10.1038/NATURE14157

9.      Schrempf A, Slyskova J, Loizou JI. Targeting the DNA Repair Enzyme Polymerase θ in Cancer Therapy. Trends in Cancer. 2021;7(2):98-111. doi:10.1016/J.TRECAN.2020.09.007