DNA polimerasa theta (θ o Q)

Beatriz Fernández-Roldán Galán y Elena Gala García. Universidad de Alcalá de Henares, Biología sanitaria.

Introducción 

La polimerasa theta (pol θ o pol Q) se trata de una polimerasa-helicasa [1] codificada por la porción C-terminal del gen POLQ [3], perteneciente a la familia A de las polimerasas que evolucionó a partir de enzimas pol I. La estructura de la pol θ va a estar formada por un dominio helicasa, un dominio central y un dominio polimerasa [1].  

La pol θ es capaz de reparar las roturas que se producen en la doble cadena de ADN. Esta enzima es propensa a sufrir errores cuando incorpora nucleótidos en la cadena que se encuentra reparando [3]. La reparación de las dobles cadenas la realiza mediante la vía de unión final mediada por microhomología (MMEJ o microhomology-mediated end joining). La utilización de esta enzima en esta ruta deriva en resultados mutagénicos [4]. Por esta razón, la pol θ no se expresa en la mayoría de las células de los tejidos, en cambio sí que hay una sobreexpresión en aquellas células que son cancerosas [3].

Proceso en el que interviene 

Las cadenas de DNA pueden sufrir roturas por agentes exógenos, como pueden ser las radiaciones o medicamentos quimioterapéuticos. En los procesos de reparación de roturas de doble cadena (DBS), las células han creado múltiples vías de reparación del DNA. Una de las vías de reparación es por unión no homóloga (NHEJ), en la cual simplemente se produce la unión de los extremos de la rotura del DNA. Otra de las vías es por medio de la recombinación homologa (HR) en la que se usa como plantilla la cromatina hermana; de esta manera se produce la reparación evitando errores [4] [Figura 1]

Figura 1. Reparación de las roturas de doble cadena (DBS). En la vía NHEJ la proteína Ku70/80 reconoce los extremos rotos del DNA, reclutando a una proteína quinasa dependiente de DNA (DNA-PKcs) que favorece el ligamiento de las hebras por la Lig4. En la HR, los extremos son reconocidos por RPA, los cuales se intercambiaran por RAD51 que median la invasión de la hebra de la cromátida hermana para usarla de molde y reparar la cadena. Idea tomada de [4]. Creada con BioRender.com

Las vías anteriores son las más características en cuanto a reparación en la rotura de la doble cadena de DNA, pero, sin embargo, en los mamíferos hay otra vía denominada unión final mediada por microhomología (MMEJ). Esta vía pertenece a un mecanismo propenso a sufrir errores de unión final, denominado unión de extremo alternativo (alt-EJ) [4]

Cuando se produce la rotura el DNA de doble cadena, los extremos son recubiertos por las RPA (Replication protein A). Este proceso en el que se recubren los extremos es común a la HR. Por otro lado, PARP1 (Poly (ADP-ribose) Polymerases 1) va a facilitar a pol θ el reconocimiento de los extremos de la rotura que no presentan RPA. Para que se produzca la microhomología (MMEJ) la pol θ va a desplazar a RPA. Una vez desplazadas estas proteínas, ocurre la sinapsis entre las bases de los extremos de las hebras simples de DNA [4]. La DNA pol θ, por tanto, se une a ambos extremos salientes de las cadenas simples de DNA y los ayuda a emparejarse entre sí. Utilizando la hebra saliente como plantilla, la pol θ las utiliza para extender cada hebra. Una vez que están rellenos los huecos, se sellan las uniones de DNA por medio de la ligasa 3 para formar finalmente la doble cadena [2] [Figura 2]

Figura 2. Reparación de las roturas de doble cadena (DBS) por microhomología (MMEJ). Idea tomada de [4]. Creada con BioRender.com

Como se ha explicado con anterioridad, la pol θ es capaz de extender la hebra de DNA monocatenario e introducir fragmentos de DNA durante la elongación de esta. Los experimentos realizados demuestran que esta polimerasa puede cambiar espontáneamente entre 3 modos diferentes de extender el DNA monocatenario [2]

  • Sin plantilla 
  • Usar la hebra que sobresale opuesta como plantilla 
  • Usar la misma hebra que sobresale que se dobla hacia atrás como plantilla 

La pol θ al tener la capacidad de poder extender la hebra simple del DNA usando o no la hebra complementaria que sobresale como guía, esta enzima puede insertar a menudo fragmentos de DNA adicionales en las reparaciones, introduciendo de esta manera mutaciones en el genoma. En los tres modos de extensión de la molécula de DNA en la reparación, se observó en diversos experimentos que se producía la inserción de fragmentos de DNA adicionales [2]

Se ha comprobado que, en los extremos de los cromosomas lineales, esta enzima también los reconoce como si fueran roturas de doble cadena de DNA en el momento en el que ya no son funcionales, ya sea porque hay una deficiencia en la telomerasa o porque se ha eliminado el complejo de la Shelterina (protege las secuencias teloméricas de mecanismos de reparación del DNA) [4].

Estructura  

Las polimerasas de DNA están divididas en cuatro familias en función de sus características estructurales y su función: A, B, X e Y. La polimerasa theta humana pertenece a la familia de DNA polimerasas A [1], las cuales presentan homología en la secuencia y estructura con la DNA polimerasa I de Escherichia coli [6]. Se trata de una familia de polimerasas que participan en la síntesis a través de lesiones (TLS). Este es un sistema de reparación del DNA dañado con el fin de evitar bloqueos en las horquillas de replicación y permitir la continuación de la replicación celular. Para ello, estas polimerasas presentan sitios activos muy amplios que permiten acomodar lesiones de gran volumen e incorporar las bases opuestas a estas secuencias de DNA dañado. A pesar de que su función es crucial para el correcto funcionamiento de las células, estos sistemas de reparación son propensos a errores [1].  

En cuanto a la estructura de la polimerasa θ humana, se observan tres regiones [5] [Figura 3]:  

  • Dominio polimerasa de DNA en el extremo C-terminal.  
  • Dominio central espaciador.  
  • Dominio similar a la helicasa en el extremo N-terminal.  
Figura 3. Dominios estructurales de la pol θ. Imagen obtenida a partir de [1]

La región N-terminal contiene el dominio ATPasa-helicasa [Figura 4]. Este es un dominio similar a helicasa que dirige la actividad de MMEJ durante translocaciones cromosómicas, suprime la recombinación homóloga, y promueve la dimerización de la polimerasa theta [4]. Presenta nueve motivos conservados que están estrechamente relacionados con los de los dominios de tipo helicasa de una enzima similar a la polimerasa θ del organismo Drosophila Mus308, y en la proteína de mamífero denominada HEL308 [5]. También se observa que este dominio helicasa presenta los motivos Walker A y Walker B, que permiten la unión e hidrólisis de ATP [1].  

Figura 4. Dominio helicasa de la polimerasa θ. Imagen obtenida a partir de Chimera (PBD: 5A9J).

Entre los dos dominios funcionales aparece una región central espaciadora que está codificada por un único exón grande. Este dominio contiene tres motivos de unión a RAD51, implicados en la inhibición de la recombinación homóloga mediante la supresión de la formación de nucleofilamentos de RAD51 [4]. Este dominio también aparece en la enzima de Drosophila Mus308 [5]

La región C-terminal está formada por el dominio DNA polimerasa [Figura 5] que, como bien se ha comentado antes, presenta la misma función que las polimerasas de la familia A, actuando concretamente en la vía MMEJ. Como el resto de DNA polimerasas, la polimerasa θ presenta las regiones “pulgar, palma y dedos”. En el pulgar se produce la asociación entre polimerasa y sustrato, mientras que la región de la palma contiene el sitio activo de la polimerasa y el domino exonucleasa (este en realidad se trata de una región vestigial similar a la exonucleasa, pero carente de actividad detectable). En estas regiones encontramos tres inserciones únicas (una en el pulgar, y las otras dos en la palma) que podrían contribuir a diferentes funciones novedosas de la polimerasa θ [1] [Figura 3].  

Figura 5. Dominio polimerasa de la polimerasa θ. Imagen obtenida a partir de Chimera (PBD: 6XBU).

Cabe destacar que, al pertenecer pol θ a la familia A de DNA polimerasas, su actividad enzimática es resistente a la afidicolina, aunque es inhibida por didesoxinucleótidos [5]

En la siguiente imagen [Figura 6] se muestra un posible modelo de actuación de los dominios de la polimerasa θ. Así, el dominio helicasa actuaría de catalizador colocando las dos hebras en una posición próxima de manera que el dominio polimerasa sea capaz de reparar la rotura de doble cadena siguiendo la vía MMEJ [7].

Figura 6. Modelo de actuación de la polimerasa θ en la vía MMEJ. Idea tomada de [7]. Creada con BioRender.com

Sobreexpresión y cáncer 

Como ya se ha mencionado, pol θ pertenece a una familia de polimerasas que realizan la síntesis a través de lesiones (TLS). Este tipo de polimerasas deben tener una regulación estricta, pues un fallo en la regulación de su expresión podría suponer mutagénesis e inestabilidad en el genoma [1]. De hecho, la deficiencia de pol θ hace a la célula susceptible a radiaciones ionizantes, además de promover inestabilidad en el DNA, lo que surgiere a la polimerasa θ como protectora del genoma [8]

Por otro lado, estudios revelan que esta enzima (junto con otra polimerasa TLS) aparece sobreexpresada en distintos tipos de cáncer en comparación con tejidos sanos (el nivel de expresión del resto de polimerasas es normal en tejidos con cáncer).  Se ha visto que a menudo en el cáncer de mama las proteínas de la recombinación homóloga son deficientes, por lo que se deberá utilizar otra vía de reparación de las roturas de doble cadena (DBS) [1]. Así, estudios revelan que la vía alt-EJ predomina en células cancerosas (vía en la cual participa pol θ) cuando faltan otras vías de reparación o cuando los extremos de los telómeros están desprotegidos [8]. Esto podría explicar los niveles tan altos de pol θ en células cancerosas. El motivo de por qué predomina esta vía aún está en estudio, pues no se conoce la causa. 

Además de este tipo de cáncer, pol θ también se expresa en otros tejidos (como el tejido linfoide preferentemente), apareciendo sobreexpresada en distintos tipos de cáncer como en el cáncer de ovario (más común, junto con el de mama), pulmón, estómago y colon [1]

Cabe destacar que la sobreexpresión de pol θ en muestras de tumores de pacientes con cáncer está fuertemente relacionada con una baja supervivencia del paciente, sugiriendo el importante papel de esta polimerasa en el proceso de desarrollo del cáncer, lo que a su vez hace a esta polimerasa un objetivo atractivo para la investigación de terapias contra el cáncer. Sin embargo, hasta hace poco no se conocía muy bien el papel de esta polimerasa en el cáncer, lo que ha dificultado el desarrollo de fármacos [1].

Tratamiento e investigaciones 

El hecho de que los niveles bajos de pol θ hagan a las células susceptibles a radiación ionizante y promuevan la inestabilidad en el genoma podría ser beneficioso para terapias contra células cancerígenas. Así, como las polimerasas tienen al menos dos actividades enzimáticas, la inhibición de su actividad podría conllevar células cancerígenas con bajos niveles de polimerasa θ funcional, haciéndolas sensibles a la radiación e inestabilidad. A pesar de ello, no se sabe si esto produciría efectos en el resto de las células, por lo que se están realizando investigaciones con el fin de conseguir sensibilizar únicamente a las células cancerígenas sin provocar efectos en las células sanas. También se está estudiando la posibilidad de una inhibición doble de pol θ y PARP1, entre otros estudios [9]

Conclusión  

Así pues, la importancia de la polimerasa theta radica en su papel protector en el genoma, impidiendo que se produzca rotura en él y, en caso de producirse dicha rotura, ser capaz de repararla. Por tanto, la regulación de esta enzima será muy importante para el correcto funcionamiento de la célula, ya que los casos de sobreexpresión de la polimerasa theta se observan en cáncer, y los niveles bajos de esta producen células sensibles a radiación e inestabilidad. Esta polimerasa es un objetivo terapéutico prometedor.

Bibliografía 

[1] Beagan, K., & McVey, M. (2016). Linking DNA polymerase theta structure and function in health and disease. Cellular and Molecular Life Sciences: CMLS, 73(3), 603–615.  

[2] Kent, T., Mateos-Gomez, P. A., Sfeir, A., & Pomerantz, R. T. (2016). Polymerase θ is a robust terminal transferase that oscillates between three different mechanisms during end-joining. ELife, 5. 

[3] Chandramouly, G., Zhao, J., McDevitt, S., Rusanov, T., Hoang, T., Borisonnik, N., Treddinick, T., Lopezcolorado, F. W., Kent, T., Siddique, L. A., Mallon, J., Huhn, J., Shoda, Z., Kashkina, E., Brambati, A., Stark, J. M., Chen, X. S., & Pomerantz, R. T. (2021). Polθ reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair. Science Advances, 7(24), eabf1771.  

[4] Brambati, A., Barry, R. M., & Sfeir, A. (2020). DNA polymerase theta (Polθ) – an error-prone polymerase necessary for genome stability. Current Opinion in Genetics & Development, 60, 119–126.  

[5] Seki, M. (2003). POLQ (Pol θ), a DNA polymerase and DNA-dependent ATPase in human cells. Nucleic acids research, 31(21), 6117–6126.  

[6] Malaby, A. W., Martin, S. K., Wood, R. D., & Doublié, S. (2017). Expression and structural analyses of human DNA polymerase θ (POLQ). Methods in Enzymology, 592, 103–121.  

[7] Newman, J. A., Cooper, C. D. O., Aitkenhead, H., & Gileadi, O. (2015). Structure of the helicase domain of DNA polymerase theta reveals a possible role in the microhomology-mediated end-joining pathway. Structure (London, England: 1993), 23(12), 2319–2330.

[8] Huang, F., Tanaka, H., Knudsen, B. S., & Rutgers, J. K. (2020). Mutant POLQ and POLZ/REV3L DNA polymerases may contribute to the favorable survival of patients with tumors with POLE mutations outside the exonuclease domain. BMC Medical Genetics, 21(1), 167.  

[9] Wood, R. D., & Doublié, S. (2016). DNA polymerase θ (POLQ), double-strand break repair, and cancer. DNA Repair, 44, 22–32.

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